热偶真空计系统设计总结报告

1、。热电偶真空计系统设计总结报告(王永昌、张斌新、王海成、张协祥；楚上前；机械设计、制造和自动化10-11班(机械和汽车工程学院)摘要：目前，真空测量中有105帕至10-11帕的各种真空计。目前，根据真空应用对真空计的要求，导热真空计在工业真空测量中发挥着重要作用，主要用于冶金、机械、化工、电子等科研生产领域的粗真空和低真空测量。其中，数字热电偶真空计应用广泛，产品种类繁多，但在量程范围、可靠性和抗氧化性方面仍有改进余地。因此，研究和设计数字式热电偶真空计具有重要的现实意义。关键词：热电偶；真空计；真空度；一、项目背景和研究内容真空科学技术主要包括两个方面：获得真空和测量真空度。真空的获得，即真

2、空的产生和维持，通常是通过机械设备来实现的，例如机械真空泵。真空度的测量主要是由传感器及其相应部件组成的真空测量设备来完成的。真空度的准确测量和控制对生产、生活和科研有着重要影响，对实验的成败和真空产品的质量起着关键作用。因此，真空测量是真空技术的重要环节，意义重大。结合真空测量技术的发展历史，通过对近年来国内外真空测量设备新产品的分析，可以看出真空计的设计并没有在新的原理和方法上取得更多的突破性进展，而是在原有基本原理的基础上进行了更多的改进和补充。真空测量技术的发展已经进入了一个相对稳定的时期。近年来，由于电子技术和计算机技术的快速发展，真空计迎来了新的发展，出现了以单片机为核心的电子真空

3、计。与传统真空计相比，电子真空计测量更准确、稳定、方便。它还可以根据实际应用扩展仪器的功能，具有很强的实用性。热电偶真空计因其性能稳定、抗污染、抗氧化和价格适中而被广泛应用于低真空测量领域。然而，由于热电偶规的强非线性，在数据处理中存在一系列问题。为了提高测量精度，有必要对其非线性进行处理。采用传统的数值计算方法，计算量大，过程复杂。对热电偶真空计的基本结构和工作原理进行了研究和分析，并根据其特点提出了具体的设计方案。在本项目中，利用Mathematica数学软件的高阶函数拟合功能来拟合热电偶规传感器的非线性特性。最后，以热电偶套管为传感器，将被测环境的压力信号转换成微弱电信号，经信号放大和模

4、数转换后，送入单片机进行数据处理和显示。热电偶真空计是基于单片机的真空计，可用于低真空领域的真空测量。其测量精度和稳定性满足实际需要，其功能可根据实际应用进行扩展，具有很强的实用性。设计的热电偶真空计采用单片机制作，充分利用了微机提供的软硬件资源，集成度高，可靠性强，功能适用，操作简单。二.热电偶真空计的工作原理热电偶真空计利用气体分子的热传导现象，并将热电偶连接到铂或钨的细线上。这条细线通过电流后会变热。发出的热量通过周围气体分子的热传导、细线本身的固体热传导或热辐射来释放。真空计的原理是气体分子的热传导与压力成正比。当在真空中加热的金属丝达到一定温度时其中包括热线和管壁的加热电流、电阻和热

5、辐射系数、热线的平衡温度、管壁和热线支柱的温度以及与热线材料和尺寸有关的常数。其次，与气体类型和热线表面积相关的系数是适应系数、与热线表面相关的常数、测量管几何形状、气体类型和热线取向以及气体压力。不难看出，对于给定的规定，如果电热丝的温度保持不变，公式(1)可以改为：(2)其中：当环境温度恒定时，和都是常数。方程(2)是恒温导热真空计的基本关系。结果表明，对于特定的气体，在恒温工作条件下，电热丝的加热电流是容器气压的单值函数。热电偶真空计通过与热线接触的热电偶测量热线的温度(如图1-1所示)2。因此，只要改变加热电流，使热电偶的输出电位在任何压力下保持恒定，就可以达到固定温度的目的。这时，其

6、中，它是高真空下电热丝的加热电流。这种恒温过程可以通过手动或自动调节来实现。本设计是一种自动恒温热电偶真空计。如前所述，恒温热电偶真空计是调节表管的加热电流，使热电偶的输出电位在任何压力下都保持不变，从而根据输入电流测量压力值，即真空度。图2-1是真空计温度测量的示意图图2-1热电偶规的测温原理3.热电偶真空计系统的设计系统的总体结构如下图所示。该系统主要由热电偶传感器、信号放大电路、模数转换电路、显示模块、单片机控制系统、按键和电源系统组成。电源系统向热电偶表传感器提供恒定电流，热电偶表传感器将被测真空环境的压力信号转换成微弱的电压信号，放大电压信号，经A/D转换后送至单片机系统，经单片机系

7、统数据处理后计算出被测环境的压力值，最后通过显示模块显示并输出。图3-1热电偶真空计系统框图1.供电系统本系统的电源由220伏至5伏的交流/DC电源适配器提供。本电源模块的参数如下：输出电压精度负载调整率输出电流调节率源效应负载效应波纹和噪音温度系数过载和过热保护(短期)。2.信号放大和处理1)真空计的选择本设计采用ZJ-53B玻璃热电偶真空管。该表管具有镍铬康铜作为电热丝和热电偶丝的小热容量。稳定后，具有环境温度自动补偿和防尘功能。该仪表管具有结构简单、测量范围宽、响应快、抗污染、抗氧化、漂移小、使用寿命长、性能稳定、价格适中等特点。它是一种广泛使用的导热低真空测控传感器。主要技术参数如下：测量范围加热电流热线耐寒性热丝温度当离差为环境温度时，指示值的偏差不得超过。2)真空计管的连接和加热真空计引脚的电气连接如图所示图3-2调节引脚的电气连接2、7根电热丝4、5根热电偶丝ZJ-53B引脚2和引脚7之间的加热热电偶线采用恒流源电路，电路图如下：图3-3恒流源加热电路3)信号放大和模数转换电路信号放大电路的主要功能是将传感器测得的微弱电压信号适当放大，便于信号处理。在本设计中，信号放大部分采用斩波稳零运算放大器ICL7650。本系统的模数转换电路选用ADS1286芯片。图3-4信号放大和模数转换电路4